超高分子量聚乙烯防弹性能和泡沫镍屏蔽性能研究

摘要

轻质抗冲击和电磁防护围护结构材料是基站和方舱的紧迫需求。在轻质化抗冲击材料方面,凭借高比强度和高比模量等优点,纤维增强层合板正受到越来越多的关注。其中,超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)被认为是兼具抗冲击和轻质化特性的绝佳材料,其力学和抗冲击性能的研究已广泛开展。模拟弹射击和仿真模拟是较为常用的研究手段,前者可以直接获得纤维层合板弹道极限,并能直观分析纤维失效模式,后者可以分析弹头形状和速度、层合板厚度和铺层方式等因素对防弹性能的影响。相较于ANYSIS等仿真软件,以能量守恒和动力学为基础的分析模型也得到普遍应用。分析模型不需要大量的输入参数,计算速度也更具优势。因此,本文基于分析模型开展对纤维层合板防弹性能的研究。首先依据能量守恒定律和动力学原理分别建立了碳纤维层合板和UHMWPE纤维层合板的防弹分析模型。计算结果表明,在弹丸形状和入射速度相同时,因具有较高的比强度和比模量,UHMWPE纤维层合板抵御弹丸侵彻所需厚度较薄。进一步分析UHMWPE纤维层合板在侵彻过后背板形态的变化发现,在入射速度低于弹道极限时,背板横向形变量随入射速度增加而增加,当入射速度高于弹道极限时,背板横向形变量随入射速度增加而减小。此外,为分析平头弹与尖头弹在侵彻过程中能量损耗的区别,建立了尖头弹二段侵彻模型,尖头弹二段失效模式得到实弹测试验证。计算结果表明,与平头弹相比,层合板对尖头弹的抵御较弱,并且尖头弹的拉伸失效耗能占比高于平头弹。
　　在电磁防护领域,低频磁屏蔽一直是研究的热点和难点,常采用铁磁合金、不锈钢等致密性材料。但考虑到实际工程应用中对通风散热和轻质化的要求,泡沫金属正逐渐受到关注。其在高频电磁屏蔽领域被证实有较高的屏蔽效能,但对泡沫金属在低频磁屏蔽领域的研究报道较少。我们以泡沫镍为研究对象,开展了泡沫结构低频磁屏蔽性能的研究。分别以铜箔和玻莫合金作为高导电和高导磁材料代表,采用解析法计算了10～500kHz频段涡流削弱和通量分流对屏蔽效能的贡献。结果表明,仅考虑涡流削弱效应得到的屏蔽效能值与亥姆霍兹线圈测试结果符合得较好。据此,我们仅考虑该效应,构建了平板型泡沫镍材料的屏蔽模型,将泡沫镍等效成一组线圈,假设涡流沿线圈构成的导电通道流动。实验和理论结果均表明,随着泡沫镍平均孔径的减小,材料内导电通道数量增加,屏蔽效能相应提高。此外,分析结果还表明,与相同面密度的均质金属镍带材相比,泡沫镍屏蔽效能不具优势,但开孔泡沫结构特性使其在一些既需屏蔽又需通风和散热的场合有较大应用价值。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 纤维增强层合板防弹研究现状

1．3 电磁屏蔽研究现状

1．4 本文的主要内容

第2章 防弹性能分析与测试

2．1 引言

2．2 碳纤维层合板抗侵彻模型

2．3 UHMWPE纤维层合板抗侵彻分析模型

2．3．1 UHMWPE纤维层合板失效模式研究现状

2．3．2 UHMWPE纤维层合板二段失效分析模型

2．5 碳纤维与UHMWPE纤维层合板性能对比

2．5．1 碳纤维层合板弹道极限

2．5．2 UHMWPE纤维层合板弹道极限

2．5．3 防弹性能对比

2．6 UHMWPE纤维层合板背板形态分析

2．7 尖头弹侵彻UHMWPE纤维层合板模型

2．7．1 二段侵彻模型验证

2．7．2 尖弹头侵彻模型

2．7．3 不同弹头防弹性能对比

2．8 小结

第3章 泡沫镍屏蔽性能测试与分析

3．1 引言

3．2 高频电磁屏蔽

3．2．1 传输线屏蔽模型

3．2．2 高频电磁测试

3．2．3 结果与讨论

3．3 低频磁屏蔽

3．3．1 低频磁屏蔽效能计算

3．4 10-500kHz涡流屏蔽原理验证

3．4．1 材料制备与表征

3．4．2 亥姆霍兹线圈测试法

3．4．3 结果与讨论

3．5．有限大平板涡流屏蔽性能分析

3．5．1 有限大平板涡流屏蔽模型

3．5．2 有限大平板涡流屏蔽模型计算结果分析

3．6 泡沫镍低频磁屏蔽模型计算与分析

3．6．1 材料制备与表征

3．6．2 屏蔽室测量法

3．6．3 泡沫结构涡流屏蔽模型

3．6．4 等效线圈假设与有效电导率假设计算结果对比

3．6．5 泡沫镍结构参数对屏蔽效能的影响

3．7 结论

第4章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

致谢

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